Мозговой трест. 40 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге

На протяжении всей истории биологии изучение организмов намного более простых, чем человек, позволяло понять фундаментальные биологические процессы, и нейробиология здесь не исключение. Новаторская работа нескольких ученых, среди которых был великий генетик Сеймур Бензер, показала, что дрозофила – чрезвычайно ценный вид для исследования развития нейронов, передачи информации через синапсы от одного нейрона к другому, общей структуры нейронной цепи и даже сложных форм поведения[22]. Понятная нейроанатомия, особые генетические механизмы и хорошо изученные молекулы, управляющие нейронами (схожие с теми, что управляют нейронами человека), – все это делает плодовую мушку превосходной моделью для анализа формирования сложных нейронных связей, даже когда число этих связей значительно превышает количество возможных наводящих маркеров, помогающих их выстраивать.

Анализ схемы соединения глаза дрозофилы с мозгом позволяет вплотную подойти к проблеме нейронных связей. Сложный глаз плодовой мушки состоит из 800 структурных элементов – омматидиев, хорошо различимых на поверхности глаза (рис. 2А). На внешней поверхности каждого омматидия имеется маленькая линза (на рис. 2А можно разглядеть эти выпуклые «шляпки»), а под ней располагается группа из восьми светочувствительных нейронов, или фоторецепторов (они обозначены буквами PR – для простоты мы рассмотрим только шесть из них). Фоторецепторы в омматидии реагируют на свет с разной длиной волны, передавая электрические сигналы по своим аксонам (рис. 2В). Аксоны фоторецепторов тянутся к аналогично расположенным структурным единицам – патронам оптического ганглия в зоне мозга, которая называется ламиной. Важно, что количество и расположение фоторецепторов в каждом омматидии одинаково для всех приблизительно 800 омматидиев в обоих глазах дрозофилы. Представляет интерес разница в строении глаз насекомых: у дневных насекомых (активных днем), в том числе бабочек, все фоторецепторы одного омматидия воспринимают свет одного направления (параллельные стрелки на рис. 2С), а их аксоны тянутся к одному и тому же патрону (рис. 2С), то есть этот механизм относительно прост. Однако у насекомых, активных ночью, в том числе у дрозофилы, развился адаптивный механизм – суперпозиция нейронов, которая повышает чувствительность к свету в сумерках или ночью, не снижая четкости зрения[23].

РИС. 2. Нейронные связи в глазу насекомого. (А) Поверхность глаза дрозофилы состоит из приблизительно 800 омматидиев. Обратите внимание на выпуклую поверхность каждого омматидия: это линза, которая фокусирует свет на фоторецепторах. (В) Схема связей между глазом и мозгом дрозофилы. Связи шести разных фоторецепторов (PR) глаза, воспринимающих свет одного направления (стрелки вверху) и расположенных в соседних омматидиях; аксоны сложными путями подходят к одной и той же мишени (патрону оптического ганглия) в мозге. Аксоны двух из шести таких фоторецепторов обозначены как PR#3 и PR#6. (C) Схема нейронных связей глаза и мозга у бабочки. В отличие от дрозофилы у бабочки фоторецепторы, воспринимающие свет одного направления (стрелки вверху), расположены в одном омматидии. Их аксоны тянутся напрямую к одному патрону – эта схема гораздо проще, чем у дрозофилы. (D) Схема связей между глазом и мозгом у дрозофилы. Все фоторецепторы одного омматидия воспринимают свет разных направлений (стрелки вверху), а их аксоны тянутся к шести разным патронам ламины

Адаптация заключается в том, что шесть фоторецепторов, расположенных в разных, но соседних омматидиях, воспринимают свет одного направления (рис. 2B, параллельные стрелки), а шесть фоторецепторов одного омматидия воспринимают свет разных направлений (рис. 2D, расходящиеся стрелки). Каким же образом аксоны фоторецепторов, воспринимающих свет одного направления и расположенных в соседних омматидиях, тянутся к одному, тому самому патрону ламины (рис. 2B)?[24] В отличие от глаза бабочки в глазу дрозофилы это не может осуществляться за счет того, что все фоторецепторы омматидия просто тянут свои аксоны к соответствующему оптическому патрону (сравните рис. 2В и 2С), и это усложняет задачу организации такого рода связей. На рис. 2В показана схема лишь одного набора из шести фоторецепторов в соседних омматидиях, соединяющихся с одним патроном ламины в мозге дрозофилы, однако нужно понимать, что таким сложным образом одновременно распределяются все 5000 аксонов фоторецепторов всех 800 омматидиев глаза дрозофилы – такой хореографии могли бы позавидовать даже постановщики танцевального шоу в перерыве Суперкубка. «Индивидуальные метки» для каждого соединения фоторецептора с ламиной едва ли помогли бы аксонам не сплестись в запутанный клубок, протягиваясь к своим патронам.

Петер Робин Хизингер и его коллеги исследовали механизмы формирования нейронных связей в глазу дрозофилы тем способом, который одобрил бы Рамон-и-Кахаль: они просто наблюдали[25]. Воспользовавшись возможностями современных методов микроскопии, которые позволяют получать изображения отдельных аксонов фоторецепторов и их конусов роста, тянущихся к мишеням, ученые вывели простые правила, по которым образуются связи в глазу дрозофилы. Микроскоп – это прибор, который позволяет наблюдателю заглянуть внутрь живой ткани и во всех подробностях разглядеть строение отдельных нейронов, аксонов и их конусов роста[26]. Эксперимент заключался в наблюдении за аксонами фоторецепторов и их конусами роста на протяжении около 30 часов: столько времени требуется на рост аксона от глаза к головному мозгу у дрозофилы. Тщательный анализ интервальной съемки позволил однозначно идентифицировать каждый из шести фоторецепторов в каждом из 800 омматидиев глаза дрозофилы.

Главный результат наблюдений: в каждом из шести фоторецепторов в любом отдельном омматидии действуют разные модели роста аксона после его контакта с ламиной. Например, аксон от фоторецептора #3 всегда сначала достигает ламины «по прямой», а затем тянется «на юго-восток» с постоянной скоростью (рис. 2B и 2D). И эта модель роста одинакова для всех фоторецепторов #3, расположенных в разных омматидиях глаза. Аксон фоторецептора #6 достигает ламины «по прямой», а затем меняет направление и растет «на запад»; скорость его роста тоже постоянна, но отличается от скорости роста аксона фоторецептора #3. Аналогичным образом ведут себя остальные четыре фоторецептора. Если сравнить направления роста аксонов фоторецепторов #1–6 из разных омматидиев, то выяснится, что они идентичны. Получается, что в каждый из шести фоторецепторов встроена уникальная программа роста, которая выполняется одинаково в каждом омматидии и определяет правило, по которому собирается сложная схема соединений нейронов в глазу дрозофилы. Если правило выполняется и все шесть аксонов фоторецепторов растут в заданном направлении с заданной скоростью, это дает удивительный результат: шесть конусов роста аксонов шести фоторецепторов, расположенных в соседних омматидиях и воспринимающих свет одного направления, в одно и то же время сходятся в одном патроне оптического ганглия, и рост останавливается (рис. 2В). Из этого следует второе правило: рост аксонов прекращается только после того, как конусы роста всех шести аксонов фоторецепторов достигают ламины и соприкасаются там друг с другом, – и никак не раньше. Таким образом, аксоны фоторецепторов, воспринимающих свет одного направления, находят свой путь через сеть тесно переплетенных аксонов других нейронов и их конусов роста, и процесс не прерывается, если они соприкасаются с конусами роста аксонов фоторецепторов, воспринимающих свет иного направления. Механизм формирования связей между фоторецепторами и мозгом крайне точен, а ошибки редки. Каждый патрон оптического ганглия получает сигналы только от фоторецепторов, воспринимающих свет одного направления. Это значительно упрощает обработку визуальных сигналов в отделах мозга более высокого уровня – ведь информация о направлении анализируется еще на уровне патрона ламины, первой «ретрансляторной станции» в зрительной системе, сразу после восприятия света фоторецептором. Компьютерное моделирование, выполненное Хизингером и его коллегами, показало, что для формирования нужной связи достаточно одновременной встречи шести конусов роста аксонов фоторецепторов; никаких меток в патроне ламины не требуется. Таким образом, трудноразрешимая, на первый взгляд, задача формирования сложной схемы соединения 5000 аксонов фоторецепторов, необходимой для суперпозиции нейронов, решается при помощи всего шести разных программ роста аксонов фоторецепторов в процессе развития глаза. Очевидно, чтобы направить каждый из приблизительно 5000 аксонов фоторецепторов к своей мишени, не требуется никаких сложных направляющих меток.

Но помогает ли это исследование понять, как формируются нейронные связи в мозге млекопитающих? В мозге человека нет прямых аналогов чрезвычайно четкой схемы организации нейронов глаза дрозофилы, но совершенно очевидно, что в разных областях мозга млекопитающих присутствует ограниченное число разных типов нервных клеток. Нейроны одного типа в мозге млекопитающего следуют очень похожим схемам ветвления аксона и дендритов, устанавливая между собой уникальные связи. Конечно, на формирование этих связей в процессе эмбрионального и раннего постнатального развития могут влиять внешние факторы. В числе этих факторов – сигнальные молекулы и даже электрические сигналы нейрону от других нейронов в цепи. Как бы то ни было, это исследование, проведенное на дрозофилах, напоминает нам о существовании альтернативных путей формирования связей в сложной нейронной сети. Оно даже внушает некоторый оптимизм в отношении клинических подходов к восстановлению нейронов после инсульта или травмы[27]. Памятуя о том, как развивалась нейробиология, можно ожидать, что этот эксперимент с дрозофилами поможет лучше понять, как простые правила регулируют сложные связи нейронов в мозге человека[28].

С момента рождения наше восприятие мира формируется в процессе постоянного разговора мозга с самим собой

Сэм Вонг

НОВОРОЖДЕННЫЙ НЕ ЗНАЕТ, в каком мире ему предстоит жить. На каком языке будут говорить окружающие его люди? Будет ли вознаграждено его упорство? Какая пища будет ему доступна? Многие потребности растущего ребенка связаны с условиями той среды, в которой он растет. Мозг адаптируется к широкому диапазону возможностей, потому что развивающиеся нейронные цепи в значительной степени определяются опытом. Ребенок, в мозге которого поначалу отсутствуют необходимые связи для обработки лавины поступающей информации, каким-то образом постепенно учится ее осмыслять.

С этой задачей мозг по большей части справляется самостоятельно – он сам себя «выстраивает»[29]. Многим людям мозг представляется вычислительной машиной, которая запрограммирована на осмысление входящей информации и выработку соответствующих действий. Но сравнение с компьютером не учитывает, что мозг не вынимают из коробки уже готовым к работе[30]. Для формирования мозга требуются годы, причем немалая часть «строительных работ» выполняется спустя значительное время после рождения. Этот процесс сопровождается грандиозными изменениями. Мозг новорожденного младенца весит приблизительно полкилограмма, и синаптических связей в нем в три раза меньше, чем в мозге взрослого человека. Более того, в течение первого года жизни эти связи, как правило, исчезают и заменяются новыми. Эти по большей части временные связи изначально не предназначены для выполнения задач, с которыми должен справляться двухлетний ребенок, не говоря уже о взрослом.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

Индуктивные рассуждения как наилучшая модель для научных размышлений имеют очень долгую историю, и к ним прибегали многие великие философы, в том числе, помимо Аристотеля, Дэвид Юм («Трактат о человеческой природе»), Иммануил Кант («Критика чистого разума») и Джон Стюарт Милль («Система логики силлогистической и индуктивной»). Они утверждали, что сначала ученый должен собрать данные о предмете своего интереса, не задумываясь о связи между фрагментами полученной информации (потому что размышления о причине и следствии могут повлиять на сбор данных), а затем последует ослепительная вспышка озарения, и ответ станет ясен. Философы ХХ века, такие как Карл Поппер («Предположения и опровержения: рост научного знания») и Томас Кун («Структура научных революций»), утверждали, что истинная индукция бесплодна (она ограничена доступными данными) и, кроме того, ученые все равно действуют иначе. У ученого всегда есть по крайней мере общие соображения (догадки) о том, что важно, и именно они указывают, какие данные следует собирать; здесь начинается цикл «предположение – проверка – интерпретация». Интересная дискуссия по этому вопросу содержится в эссе Питера Медавара The Philosophy of Karl Popper (1977) из опубликованного после его смерти сборника под названием The Threat and the Glory (New York: Harper Collins, 1990). Каждый начинающий ученый должен прочесть эту работу и вдохновиться ею, прежде чем переступить порог лаборатории, а всем прочим для лучшего понимания было бы неплохо прочесть ее дважды.

2

Есть и другие синонимы: например, «правильная догадка», или более напыщенно – «удачный всплеск творческого таланта»; но мы предпочитаем «предположение». «Удачный всплеск» – это цитата из Уильяма Уэвелла (History of the Inductive Sciences, London: John W. Parker, 1837), приведенная в книге Питера Медавара The Limits of Science (New York: Harper and Row, 1984). Сэр Питер Медавар был чрезвычайно успешным британским иммунологом (в 1960 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине) и написал множество научно-популярных эссе и книг для широкой публики, а также философских работ для ученых. Все его произведения – образцы ясности мышления, и читать их – истинное удовольствие.

3

Этой теме посвящено множество книг. Самая авторитетная из них – «Логика научного исследования» Карла Поппера, впервые опубликованная в Германии в 1935 году. (Философы считают ее немного старомодной, однако ученые-исследователи утверждают, что в ней описано почти все, чем они занимаются ежедневно.) Более современная и доступная книга на эту тему – Failure Стюарта Файрштейна (New York: Oxford University Press, 2016).

4

J. C. Weeks and W. B. Kristan, Jr., «Initiation, Maintenance, and Modulation of Swimming in the Medicinal Leech by the Activity of a Single Neuron», Journal of Experimental Biology 77 (1978): 71–88.

5

Новейшие представления о нейронной цепи, отвечающей за плавание пиявки, изложены в обзорной статье: W. B. Kristan, Jr., R. L. Calabrese, and W. O. Friesen, «Neuronal Basis of Leech Behaviors», Progress in Neurobiology 76 (2005): 279–327.

6

В последнее время стали возможны аналогичные эксперименты с мозгом, который больше похож на мозг человека, чем мозг пиявки, и это позволило ученым задаться вопросом, есть ли в нашем мозге нейроны с такими же функциями, как у клеток 204 в мозге пиявки. Серьезным препятствием к выяснению функций отдельных нейронов стало огромное количество нервных клеток в мозге млекопитающих. Однако в последнее десятилетие методы визуализации и селективной экспрессии молекул, регистрирующих активность нейронов, позволили исследовать поведенческие функции множества нейронов одновременно. В результате эксперименты, подобные тем, что описаны для клеток 204, теперь могут проводиться и на более сложном мозге, например рыбьем и мышином. Ученые визуализируют нейроны с известной функцией, выясняя корреляцию их активности с поведением животного. После генетической модификации нейроны начинают вырабатывать чувствительные к свету белки, и в результате ученые получают возможность воздействовать на эти нейроны светом с определенной длиной волны, включая или выключая их во время поведенческого теста, чтобы определить их достаточность и необходимость для данного поведения. Подобные эксперименты – наряду с другими – привели к настоящему перевороту в исследованиях нейронной основы поведения животных со сложным мозгом. Подробную информацию об этой методике можно найти в приведенных ниже работах. В первых двух рассматривается сам метод, а в остальных описаны эксперименты, выполненные с его помощью. K. Deisseroth, «Controlling the Brain with Light», Scientific American 303 (2010): 48–55; K. Deisseroth, «Optogenetics: 10 Years of Microbial Opsins in Neuroscience», Nature Neuroscience 18 (2015): 1213–1225; E. Pastrana, «Primer on Optogenetics. Optogenetics: Controlling Cell Function with Light», Nature Methods 8 (2010): 24–25; V. Emiliani, A. E. Cohen, K. Deisseroth, M. Haeusser, «All-Optical Interrogation of Neural Circuits», Journal of Neuroscience 35 (2015): 13917–13926.

7

Карл Поппер писал о последовательном приближении к истине в нескольких своих работах, но наиболее доступно эта идея изложена в эссе под названием «Наука: предположения и опровержения»; изначально это была лекция, прочитанная в Кембридже, а в 1953 году ее текст вошел в книгу «Предположения и опровержения: рост научного знания».

Стюарт Файрштейн в своей работе Failure соглашается, что отклонение предположений – обычный путь научного прогресса, но рассматривает этот вопрос под иным углом. Файрштейн утверждает, что лишь немногие ученые постоянно применяют стратегию «предположение – проверка – интерпретация», хотя все пишут статьи так, будто следовали именно ей. Он называет отклонение гипотезы одним из типов неудач и считает, что именно неудачи этого типа приносят наибольшую пользу научному прогрессу.

8

В книге «Логика научного исследования» Карл Поппер рассказал, что заинтересовался философией, задумавшись, чем наука отличается от таких разных областей знания, как астрология, метафизика и психоанализ. Он пришел к выводу, что отличие научных теорий в том, что их можно проверить и опровергнуть: «Каждая “хорошая” научная теория является некоторым запрещением: она запрещает появление определенных событий. Чем больше теория запрещает, тем она лучше» (К. Поппер, «Предположения и опровержения»). (Файрштейн в работе Failure добавляет к этому списку современные феномены, такие как саентология, теория разумного замысла и ряд направлений альтернативной медицины, в качестве примеров принципиально неопровержимых теорий.) Поппер указывал, что существуют вполне достойные области интеллектуальной деятельности – например, метафизика и этика, – которые очень важны для культуры и для выживания человечества, но по природе своей ненаучны, поскольку не могут быть проверены. Этот вопрос был блестяще освещен Питером Медаваром в книге The Limits of Science. Вот две цитаты из нее:

«Если искусство политики – это действительно искусство возможного, тогда искусство научного исследования – это, без сомнения, искусство объяснимого».

«За ответами на вопросы, которые имеют отношение к происхождению мира и эсхатологическим событиям [например, в чем смысл жизни], мы должны обращаться не к науке, а к метафизике, художественной литературе или религии. Эти ответы не выводятся из эмпирических данных и не требуют подтверждения ими, и поэтому бессмысленно спрашивать, истинны они или ложны. Вопрос в том, помогут ли они кому-то обрести душевное спокойствие, избавят ли от тревоги непонимания и рассеют ли страх перед неизвестным».

9

F. Galton, Inquiries into Human Faculty and Its Development (London: J. M. Dart, 1907), доступно на сайте www.galton.org.

10

D. K. Belyaev, «Destabilizing Selection as a Factor in Domestication», Journal of Heredity 70 (1979): 301–308 (на русском языке: Беляев Д. К. Дестабилизирующий отбор как фактор доместикации // Генетика и благосостояние человечества. М.: Наука, 1981); L. Trut, «Early Canid Domestication: The Farm-Fox Experiment», American Scientist 87 (1999): 160–169.

11

T. J. Bouchard, D. T. Lykken, M. McGue, N. L. Segal, and A. Tellegen, В «Sources of Human Psychological Differences: The Minnesota Study of Twins Reared ApartВ», Science 250 (1990): 223–228.

12

N. L. Segal, Born Together – Reared Apart: The Landmark Minnesota Twin Study (Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012).

13

Тезис «в среднем у разнояйцевых близнецов совпадают 50 % генов» – это сокращенный вариант более точного утверждения: «у разнояйцевых близнецов вероятность наследования одного и того же варианта любого гена от каждого из родителей составляет 50 %». Например, если у матери есть два разных варианта гена, определяющего цвет глаз, то каждый из близнецов с вероятностью 50 % унаследует первый вариант и с вероятностью 50 % – второй. Из этого утверждения читатель без труда выведет все возможные комбинации наследования и увидит, что в среднем разнояйцевые близнецы в половине случаев наследуют один и тот же вариант гена, а в другой половине случаев – разные.

14

Важно подчеркнуть, что результаты теста на IQ, как и всех стандартизированных тестов, следует интерпретировать с учетом культурного контекста. Несмотря на то, что существование и измеримость «врожденного» интеллекта можно считать общепризнанными, маловероятно, что стандартизированный тест позволит измерить его объективно, без искажений, вызванных культурными стереотипами.

15

L. J. Eaves, H. J. Eysenck, and N. G. Martin, Genes, Culture, and Identity: An Empirical Approach (New York: Academic Press, 1989).

16

G. E. McLearn, B. Johnasson, S. Berg, N. L. Pederson, F. Ahern, S. A. Petrill, and R. Plomin, «Substantial Genetic influence on Cognitive Abilities in Twins 80 or More Years Old», Science 276 (1997): 1560–1563.

17

E. S. Lander, «Initial Impact of the Sequencing of the Human Genome», Nature 470 (2011): 187–197.

18

Теоретически нейронные связи могли бы выстраиваться, подчиняясь комбинаторному коду. Однако даже если бы несколько сотен сигнальных молекул сгенерировали множество уникальных комбинаций, это не решило бы проблему, поскольку задача найти точное место каждой из таких молекул в селективном кодировании крайне сложных моделей формирования связей между миллиардами нейронов выглядит не менее трудной.

19

S. Ramón y Cajal, Histology of the Nervous System, trans. N. Swanson and L. W. Swanson (Oxford: Oxford University Press, 1995; впервые издана на испанском языке в 1909 году).

20

J. DeFelipe, Cajal’s Butterflies of the Soul (Oxford: Oxford University Press, 2010).

21

A. L. Kolodkin and M. Tessier-Lavigne, «Mechanisms and Molecules of Neuronal Wiring: A Primer», Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 3 (2011): 1–14.

22

S. Benzer, В «From Gene to BehaviorВ», Journal of the American Medical Association 218 (1971): 1015–1022; D. Anderson and S. Brenner, В «Obituary: Seymour Benzer (1921–2007)В», Nature 451 (2008): 139.

23

E. Agi, M. Langen, S. J. Altschuler, L. F. Wu, T. Zimmermann, and P. R. Hiesinger, «The Evolution and Development of Neural Superposition», Journal of Neurogenetics 28 (2014): 216–232. Такая организация нейронных связей у «продвинутых» мух, таких как дрозофила, называется суперпозицией нейронов, и мы пока не знаем, каким образом формируется сложная схема связей между фоторецепторами соседних омматидиев и одним патроном ламины.

24

E. Agi, M. Langen, S. J. Altschuler, L. F. Wu, T. Zimmermann, and P. R. Hiesinger, «The Evolution and Development of Neural Superposition», Journal of Neurogenetics 28 (2014): 216–232.

25

M. L. Langen, E. Agi, D. J. Altschuler, L. F. Wu, S. J. Altschuler, and P. R. Hiesinger, «The Developmental Rules of Neural Superposition in Drosophila», Cell 162 (2015): 120–133.

26

Нейроны фоторецепторов были помечены путем встраивания гена медузы, кодирующего зеленый флуоресцентный белок (GFP). В результате отдельные помеченные фоторецепторы в глазу дрозофилы светились, и ученым удалось пронаблюдать рост их аксонов в реальном времени.